Особенности отражения рентгеновского излучения от изогнутых поверхностей (1104153), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Рассмотрены как отражение отграницы раздела двух однородных сред, так и отражение в случае переменой поглубине оптической плотности зеркала. В разделе 1.2 изложены основныемеханизмы и методы описания влияния поверхностных шероховатостей наотражение рентгеновского излучения от реальных поверхностей. Раздел 1.3посвящен рассмотрению многократного отражения рентгеновского пучка отизогнутых поверхностей. В разделе 1.4 приводится описание эффекта шепчущейгалереи, который состоит в том, что акустическая или электромагнитная волна,падающая по касательной на вогнутую поверхность, скользит вдоль нее за счетпоследовательных отражений. При правильном выборе вещества отражающегопокрытия эффективность поворота пучка на угол 90° составляет десяткипроцентов.

Одной из интересных идей является применение эффекта шепчущейгалереи для исследования шероховатости вогнутых поверхностей, что насегодняшний день представляется серьезной проблемой.В главе 2 рассмотрен вопрос о выборе материалов для изготовлениярентгенооптических элементов, основанных на явлении полного внешнегоотражения. Рассмотрены используемые в работе рентгеновские приборы и описанвклад автора в их модификацию. Глава состоит из четырёх разделов.Впервомизготовленияразделеобсуждаютсярентгеновскойоптикипроблемыскользящеговыбораматериалападения.дляПредставленырезультаты измерений шероховатости подложек из ряда наиболее хорошообрабатываемыхматериалов.Результатыдемонстрируютвозможнуюперспективность применения синтетического сапфира в качестве материала длясоздания рентгенооптических элементов.

Действительно, он обладает наилучшимизначениями оптических констант, а технологически достижимые значения среднейвысоты шероховатости составляют рекордные значения ~1 Å. Отмечено, что натерритории РФ только сапфир удается обрабатывать на мировом уровне. Вчастности, эта задача решена в Институте кристаллографии РАН. Поэтому данныйматериал, по всей видимости, является весьма перспективным в задачах, нетребующих изгиба поверхности.7В данной же работе, напротив, исследуются такие элементы как, капилляры,вогнутые сферические зеркала. С учетом вышесказанного исследованные в работерентгенооптические элементы по нашему предложению были изготовлены изстекла или плавленого кварца.

Дополнительным преимуществом этих материаловявляется их сравнительно низкая стоимость.В разделе 2.2 приведено описание экспериментальной установки, собраннойавторомдлятестированиярентгенооптическихэлементов(рис.1).Онасконструирована на базе дифрактометра Амур-1, с использованием двумерногодетектора – ПЗС-матрицы.

ПЗС-матрица позволяет достичь разрешения ~13 мкм.Основным достоинством данной установки является использование в еёконструкции специального держателя на гониометрическом столике, благодарякоторому в узле юстировки присутствуют все необходимые поступательные ивращательные подвижки. Данный узел юстировки позволяет проводить линейныеперемещения образца в двух взаимно перпендикулярных направлениях (ход 15 мм,точность 0.1 мм) и его покачивания вокруг двух взаимно перпендикулярных осей(угол наклона до 8°, точность 0.1°), а с помощью гониометрического столикавращать образец с угловой точностью ~2’.

Кроме того, рассматриваемый узелоборудован набором шаговых двигателей, позволяющим автоматизированоперемещать образец в указанных направлениях. Комплекс работ по оснащениюузлаюстировкишаговымидвигателями,управлениюимиисозданиюсоответствующего программного обеспечения был проведен автором лично.Рис. 1.

Схема экспериментальной установки для тестирования рентгенооптическихэлементов. 1 – рентгеновская трубка, 2 – блок кристалла-монохроматора, 3 – исследуемыйобъект на гониометрическом столике, 4 – ПЗС-детектор.8В разделе 2.3 описаны основные методы обработки экспериментальныхданных, полученных с помощью ПЗС-матрицы.Раздел 2.4 посвящен первому эксперименту, проведенному на собраннойустановке, в котором исследовалась возможность поворота пучка рентгеновскогоизлучения с помощью поликапиллярных систем из стекла.Совместно с ООО НПП «Наноструктурная технология стекла» (г. Саратов)нами были созданы и испытаны несколько поликапиллярных рентгенооптическихсистем, состоящих из сотен цилиндрических капилляров с полыми сердцевинами.Их характерные размеры: длина - 300 мм, диаметр полых сердцевин – от 25 до85 мкм.(а)(б)Рис.

2. а) Распределение интенсивности пучка, прошедшего сквозьнеизогнутую поликапиллярную систему. б) Зависимость эффективности поворотарентгеновского пучка от угла поворотаПолученные зависимости эффективности поворота пучка рентгеновскогоизлучения от угла поворота показывают (рис. 2), что эффективность поворотапучка на 10° составляет не менее 5% от интенсивности пучка, прошедшего черезнеизогнутый поликапилляр.

Таким образом, исследованные поликапиллярныесистемы позволяют сканировать узким рентгеновским пучком области размером100 х 100 мм2 (при расположенииисследуемогообразца вплотнуюкполикапилляру) с падением интенсивности на краю на 2 порядка. По этой причинеприменение описываемого оптического элемента, по всей видимости, является9перспективнымдляпроведениялокальныхрентгенофлюоресцентныхисследований поверхности.Главадиссертационной3работыпосвященаэллипсоидальнымконцентраторам рентгеновского излучения. Глава состоит из двух основныхразделов.Вразделе3.1автороманалитическирешеназадачаоптимизацииэллипсоидальных концентраторов для лабораторных рентгеновских источников.

Вотличиеотсинхротронныхпучковточечныелабораторныеисточникихарактеризуются низкой интенсивностью и излучают во все полупространство.Поэтому главная задача состоит в том, чтобы собрать максимальное количествоиспущенных фотонов на исследуемом, пусть даже небольшом образце, в то времякак достижение максимально высокой плотности потока и предельно малогоразмера сфокусированного пучка представляет вторичный интерес.Автору удалось выразить эффективность концентратора через несколькоуниверсальных безразмерных параметров L/F, S/(F|1-ε|1/2) и (1-e)/|1-ε|.

Значенияэтих параметров определяются межфокусным расстоянием 2F, эксцентриситетом eэллипсоидальногопрофиля,длинойконцентратораLидиэлектрическойпроницаемостью ε = 1 – δ + iγ материала, из которого он изготовлен, а такжедиаметром источника S. Показано, что аналитическое решение задачи оптимизациипозволяет без каких-либо вспомогательных вычислений определить максимальнодостижимую эффективность концентратора на любой длине волны. Кроме того,возникает возможность проанализировать зависимость эффективности от размераисточника, длины волны излучения, вещества отражающего покрытия, а такжетехнологических и экспериментальных ограничений, накладываемых на длинуконцентратора, расстояние между источником и образцом и т.д.

Представлены иобсуждаются результаты оптимизации концентраторов для нескольких длин волнрентгеновского излучения, широко используемых на практике.В подразделе 3.1.1 рассмотрена задача для случая концентратора полнойдлины (от фокуса до фокуса) и точечного источника. Получено условие дляоптимальных значений эксцентриситета эллипсоида:1  e  (0.045  0.092) |1   | , /   1  0.1 ,(1)10где коэффициент пропорциональности увеличивается при уменьшении параметра /  от 1 до 0.1. Это неравенство наглядно демонстрирует, что для обеспечениявысокихкоэффициентовпередачиэксцентриситетдолженбыстро(пропорционально  2 ) приближаться к единице при уменьшении длины волны, т.е.концентратор будет становиться все более и более вытянутым.В подразделе 3.1.2 проанализировано поведение коэффициента передачиэллипсоида при уменьшении его длины L и определено оптимальное положениевходной апертуры по отношению к точечному источнику.Показано, что для обеспечения максимальной эффективности входнаяапертура концентратора должна быть расположена так близко к источнику, чтобы max  (2.5  3.2) |1   |1/2 ,  /   0.1  1(2)где Фmax - угол между лучом, падающим на входную апертуру, и большойполуосью эллипсоида.

Коэффициент пропорциональности увеличивается приувеличении отношения   от 0.1 до 1.Кроме того, для обеспечения значения эффективности порядка 90% отэффективности концентратора максимально возможной длины L = 2F и,следовательно, около 80% от эффективности параболоида, длина концентраторадолжна удовлетворять условию:L / 2 F  0.35(3)т.е. составлять не менее третьей части расстояния от источника до образца.Наконец, в подразделе 3.1.3 задача оптимизации рассмотрена для источникаконечных размеров. Получено, что конечный размер источника не будет влиять наэффективность концентратора, еслиS 2 F  2min / 2 max ,где Θmin – наименьший угол скольжения между испущенным лучом и отражающейповерхностью концентратора.Подраздел 3.1.4 посвящен описанию алгоритма расчета оптимальныхпараметров эллипсоидальных концентраторов с помощью всех полученныхусловий.Вкачестведемонстрациипроведенаоптимизацияпараметровконцентратора для нескольких рентгеновских длин волн, широко используемых напрактике(табл.

2).Полученныезначенияэффективностиконцентраторов11соответствуютожидаемому,котороесоставляет80%отэффективностипараболоида, т.е. от максимально возможного для оптических элементов соднократными отражениями.Таблица2. Оптимальные параметрыэллипсоидальных концентраторов впредположении, что диаметр источника излучения S = 300 мкм, а минимальновозможное расстояние от источника до концентратора Lin = 1 см.Параметрλ = 0.154 нмλ = 0.989 нмλ = 4.47 нмλ = 13.5 нмОтражающее покрытиеAuAuNiRuОтношение γ/δ0.1030.3510.4770.144Поляризуемость |1-ε|9.44·10-53.05·10-33.12·10-20.22Эксцентриситет, 1-e8.72·10-61.98·10-41.80·10-31.80·10-285.061.874.841.229.821.626.214.42.391.01.01.00.120.311.002.150.351.184.337.740.870.910.930.890.0270.615.1742.80.770.810.790.828.43·10-61.48·10-41.22·10-31.55·10-22.7·1022.5·1033.03·1041.17·105Расстояние от источника дообразца 2F, смДлина концентратора L, смРасстояние от источника доконцентратора Lin, смДиаметр входной апертурыконцентратора Din, смДиаметр выходной апертурыконцентратора Dout, смДиаметр пятна фокусировкина полувысоте SF, ммЭффективность ν, %Нормированнаяэффективность ν/νparНормированная плотностьпотока в центре фокусногопятна, q/q0Увеличение плотности потокав центре фокусного пятна засчет использованияконцентратора, q/qR12В разделе 3.2 описано несколько экспериментов с эллипсоидальнымиконцентраторами.

В подразделе 3.2.1 представлены результаты (рис. 3 и 4)тестирования концентратора на широкофокусном лабораторном источнике сиспользованиемкристалла-монохроматора.Былаэкспериментальнопродемонстрирована фокусировка излучения Cu Kα (λ=1.54 Å) в пятно диаметром0.15 мм с увеличением интенсивности в нем в 7 раз. Эти результаты показывают,что даже в условиях использования неточечного рентгеновского источника смонохроматором,коллимирующимпучокприменениеэллипсоидальногоконцентратора оправдано, по крайней мере, для некоторых типов исследований.Рис. 3. Наблюдение фокусировки: а) фокусное пятно, наблюдаемое на двумерномдетекторе; б) распределение интенсивности в прямом и сфокусированном пучке.Рис.

Характеристики

Список файлов диссертации